第十六章

GPS的基本知識概述

GPS定位系統的組成

GPS衛星定位的基本原理

GPS測量的實施

GPS測量的作業模式11概述全球定位系統（GPS）:GlobalPositioningSystem的簡稱。該系統是由美國從上世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星無線電導航與定位系統。特點：（1）全球覆蓋；（2）不要求點間通視；（3）全天候實時觀測；（4）高精度相對定位。應用廣泛。應用：大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等領域。應用領域還在不斷地拓展，遍及國民經濟各種部門，并逐步深入人們的日常生活,從而給測繪學科帶來了一場深刻的技術革命。2GPS衛星3相對于經典的測量技術來說，這一新技術的主要特點

如下：測站之間無需通視。因而不再需要建造覘標，可減少測量工作經費和時間，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。b)

高精度三維定位。GPS可以精密測定測站的平面位置和大地高。c)

觀測時間短。近年來發展的快速相對定位法，觀測時間僅需數分鐘；實時動態定位技術（RTK）在一定范圍內可提供厘米級的實時三維定位結果。d)

操作簡便。GPS測量自動化程度很高，操作員的主要任務只是安置并開關儀器，量取儀器高，監視儀器的工作狀態等。接收機自動完成觀測工作，如衛星捕獲，跟蹤觀測和記錄等。GPS接收機重量輕，體積小，攜帶方便。e)

全天侯作業。GPS接收機可以在任何地點（衛星信號不被遮擋的情況下），任何時間連續地進行，一般也不受天氣狀況的影響。4全球定位系統（GPS）構成示意圖

2GPS定位系統的組成GPS定位技術：空中GPS衛星向地面發射信號，地面用戶接收機實時地連續接收，并計算出接收機位置。GPS三個部分組成：（1）GPS衛星星座（空間部分）、（2）地面監控系統（地面控制部分）、（3）GPS用戶接收機（用戶部分）。5GPS星座示意圖共有24顆GPS工作衛星，構成GPS工作衛星星座。地球上任何地方可以同時觀測到4-12顆、高度角15以上的衛星,分布在6個近圓形軌道面，高度在地面上約20200km，軌道面相對于地球赤道面傾斜55角。2.1空間部分（GPS衛星星座）6GPS衛星基本功能：--接收和儲存由地面監控站發來的跟蹤監測信息；--在地面監控站的指令下，調整衛星姿勢和啟用備用衛星；--進行必要的數據處理工作；--通過星載的高精度銫鐘和銣鐘提供精密的時間標準；--向用戶廣播GPS信號。

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GPS衛星廣播的GPS信號是定位基礎，它由基準頻率(f0=10.23MHz)經倍頻和分頻產生。154和120倍頻后，分別形成L波段的兩個載波頻率信號（L1=1575.42MHz,L2=12227.60MHz）,波長分別為19.03cm和24.42cm。調制在L載波上的信號包括C/A碼、P碼和D碼。C/A碼（粗碼）：頻率為1.023MHz的偽隨機碼。

P碼（精碼）：載波頻率為10.23MHz的偽隨機碼。測距碼：粗碼和精碼；D碼（導航電文）：衛星向用戶提供為計算衛星坐標的衛星星歷、系統時間、衛星鐘性能及電離層改正參數等信息。8圖3：GPS信號的結構

92.2地面監控部分地面監控系統：由一個主控站、三個注入站

和五個監測站

組成。主控站作用：

收集各個監測站所測觀測值、環境要素等數據，計算每顆GPS衛星的星歷、時鐘改正量、狀態數據、以及信號的大氣層傳播改正，并按一定的形式編制成導航電文，傳送到主控站：此外還控制和監視其余站的工作情況并管理調度GPS衛星。102.2地面監控部分地面監控系統：由一個主控站、三個注入站和五個監測站組成。注入站作用：

將主控站傳來的導航電文，分別注入到相應的GPS衛星中，通過衛星將導航電文傳遞給地面上的廣大用戶。導航電文作用：GPS用戶所需要的一項重要信息，通過導航電文能確定GPS衛星在各時刻的具體位置。監測站主要任務：

為主控站編算導航電文提供原始觀測數據。每個監測站上都有GPS接收機對所見衛星觀測，采集環境要素等數據，經初步處理后發往主控站。112.2地面監控部分地面監控系統：由一個主控站、三個注入站和五個監測站組成。監測站主要任務：

為主控站編算導航電文提供原始觀測數據。每個監測站上都有GPS接收機對所見衛星觀測，采集環境要素等數據，經初步處理后發往主控站。122.3用戶設備部分用戶要實現利用GPS進行導航和定位的目的，還需要GPS接收機，即用戶設備部分。用戶設備部分作用：接收GPS衛星發射的信號，獲得必要的導航和定位信息及觀測量，經數據處理后獲得觀測時刻接收機的位置坐標。用戶設備部分主要由GPS接收機硬件和數據處理軟件組成。

132.3用戶設備部分用戶要實現利用GPS進行導航和定位的目的，還需要GPS接收機，即用戶設備部分。GPS接收機分類方法：較精密的雙頻接收機，稍為便宜的單頻接收機。所有GPS接收機生產廠家一般都隨機提供數據處理軟件包，但其作用是有限的。國際上有一些科研機構為了克服商用數據處理軟件的不足，已經開發研制了多種精密的GPS數據后處理軟件包。

143GPS衛星定位的基本原理原理：測量學中的空間距離交會方法。S1S3S4GPS接收機TiS215GPS定位方法：按觀測值不同分為：偽距觀測定位

、載波相位測量定位；按使用同步觀測的接收機數和定位解算方法來分：單點定位（絕對定位）、差分定位（相對定位）；

根據接收機的運動狀態可分為靜態定位

、動態定位。

單點定位：確定接收機在世界坐標系（WGS-84）中三維坐標。

相對定位：確定接收機相對地面上另一參考點的空間基線向量。

靜態定位：接收機是靜止不動的。

動態定位：確定安置接收機的運動平臺的三維坐標和速度。絕對定位和相對定位中，均包含靜態和動態兩種方式。比較有代表性的定位模式，即為偽距單點定位

、載波相位相對定位，其他的定位模式均為依此衍生而來。163.1、偽距單點定位偽距：衛星到接收機的距離觀測量，即由衛星發射的測距碼信號到達ＧＰＳ接收機的傳播時間乘以光速所得的距離。由于偽距觀測量所確定的衛星到測站的距離，都不可避免地會含有大氣傳播延遲、衛星鐘和接收機同步誤差等的影響。為了與衛星和接收機之間的真實幾何距離相區別，這種含有誤差影響項的距離觀測，通常稱為“偽距

”，并把它視為GPS定位的基本觀測量。偽距法單點定位：利用ＧＰＳ接收機在某一時刻，同步測定至少４顆以上ＧＰＳ衛星的偽距，以及從衛星導航電文中獲得的衛星位置，采用距離交會法求得接收機的三維坐標。17GPS衛星偽距單點定位示意圖183.2、載波相位相對定位

為了克服關于大氣折射延遲改正不夠準確，以及減少未知數等原因，常對以上觀測量作差分處理。一般用到的有單差、雙差、三差法。單差觀測量：不同觀測站同步觀測相同衛星所得觀測量之差。雙差觀測量：在單差法基礎上，對不同測站同步觀測一組衛星所得單差之差。測站間同步觀測量的單差示意圖

測站間同步觀測量的雙差示意圖

T1T219

三差法：在雙差法基礎上，不同測站同步觀測的同一組衛星所得雙差觀測量作差分。測站間同步觀測量的三差示意圖T1T220差分法載波相位測量雖然可以消去一系列多余參數項（即指不含有測站坐標的項），但在組成差分觀測方程時，減少了觀測方程的個數，另外，也增加了觀測量之間的相關性，這些都不利于提高最后解的精度。一般是采用雙差法求解最終結果。三差法只是用于整周跳變的探測和估計，或求得測站坐標的近似解。214GPS測量的實施GPS測量：與常規測量一樣，分為外業和內業兩部分。GPS測量實施階段：網的優化設計；選點與建立標志；外業觀測；內業數據處理。224.1、GPS網的優化設計GPS網的優化設計，實施GPS測量的第一步，也是在網的精確性、可靠性和經濟性方面，實現用戶要求的重要環節。主要內容：精度指標的合理確定網的圖形設計網的基準設計。23精度指標的合理確定對GPS網的精度要求，主要取決于網的用途。精度指標，以網中相鄰點之間的距離誤差來表示（GPS測量規范）。精度指標影響GPS網的布設方案、觀測計劃、觀測數據的處理方法，以及作業的時間和經費。所以，在實際設計工作中，要根據實際需要確定。

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網的圖形設計網的圖形設計，應在滿足用戶要求的條件下，盡量減少消耗。GPS網應采用獨立觀測邊構成閉合圖形，如：三角形、多邊形或附合線路。25網的基準設計網的基準：包括網的位置基準、方向基準和尺度基準。而確定網的基準，是通過網的整體平差來實現的。網的基準設計，主要是指確定網的位置基準問題。確定網的位置基準，通常可根據情況，選取以下方法：（1）選取網中一點的坐標值并加以固定，或給以適當的權；（2）網中的點均不固定，通過自由網偽逆平差或擬穩平差，確定網的位置基準；（3）在網中選若干點的坐標值并加以固定；（4）選網中若干點（直至全部點）的坐標值并給以適當的權。264.2、外業觀測方法１、外業觀測計劃設計（１）編制ＧＰＳ衛星可見性預報圖：利用衛星預報軟件，輸入測區中心點概略坐標、作業時間、衛星截止高度角≥１５°等，利用不超過２０天的星歷文件即可編制衛星預報圖。（２）編制作業調度表：應根據儀器數量、交通工具狀況、測區交通環境及衛星預報狀況制定作業調度表。作業表應包括：觀測時段（測站上開始接收衛星信號到停止觀測，連續工作的時間段），注明開、關機時間；測站號、測站名；接收機號、作業員；車輛調度表。274.2、外業觀測方法２、野外觀測野外觀測應嚴格按照技術設計要求進行。（１）

安置天線：安置天線是ＧＰＳ精密測量的重要保證。要仔細對中、整平，量取儀器高。儀器高要求鋼尺在互為１２０°方向量三次，互差小于３

mm，取平均值后記錄或輸入ＧＰＳ接收機。（２）安置ＧＰＳ接收機：ＧＰＳ接收機應安置在距天線不遠的安全處，連接天線及電源電纜，并確保無誤。（３）開機觀測：打開ＧＰＳ接收機，輸入或記錄測站名。詳情可參見不同儀器的操作手冊。ＧＰＳ接收機自動化程度很高，儀器一旦跟蹤衛星進行定位，接收機自動將接收的衛星星歷、觀測值文件以及輸入信息存入接收機內記憶體。作業員只需要定期查看接收機工作狀況。一個時段的測量結束后，要查看儀器高和測站名是否輸入，確保無誤后再關機、關電源，遷站。28（４）ＧＰＳ接收機記錄的數據有：ＧＰＳ衛星星歷和衛星鐘差參數；觀測歷元的時刻和偽距觀測值及載波相位觀測值；ＧＰＳ絕對定位結果；測站信息。３、觀測數據下載及數據預處理外業觀測數據在測區要及時嚴格檢查，對外業預處理成果，按規范要求嚴格檢查、分析，根據情況進行必要的重測和補測。確保外業成果無誤后方可離開測區。294.3、內業數據處理根據上述處理所獲得的標準化數據文件，便可進行觀測數據的平差計算工作。平差計算的主要內容包括：同步觀測基線向量的解算。同一基線邊，多歷元同步觀測值的平差計算。在同一測區中，同類精度數據處理，應采用相同方法、相同模型。由此所得到的平差結果為：基線向量（坐標差）及其相應的方差與協方差。觀測成果檢核與網平差。基線解算完畢后，需要對基線向量按網形構成，檢核同步環、異步環以及重復觀測邊的閉合差。具體要求參見GPS測量規范。檢查合格后，就可以利用上述基線向量的平差結果，作為相關觀測量，進行網的整體平差，消除不符值。整體平差應在WGS-84坐標系統中進行，平差的結果，一般是網點的空間直角坐標，大地坐標和高斯平面坐標，以及相應的方差與協方差。坐標系統的轉換，或與地面網的聯合平差。在城市、礦山等區域性的測量工作中，往往需要將GPS測量結果，化算到用戶所采用的區域性坐標系統。因此，上述GPS網，在WGS-84坐標系統中的平差結果，尚需按用戶的要求，進行坐標系統的轉換，或者為了改善已有的經典地面控制網，確定GPS網與經典地面網之間的轉換參數，需要進行兩網的聯合平差。304.4、GPS測量誤差GPS衛星在距離地面約20200公里的高空，向地面上的廣大用戶發送測距信號和導航電文等信息。GPS定位的觀測量不可避免地會受到多種誤差源影響。按照這些誤差源的來源，一般可分為三種情況：（一）與GPS衛星有關的誤差（二）與信號傳播有關的誤差（三）與接收設備有關的誤差31(一)與GPS衛星有關的誤差衛星星歷誤差：廣播星歷或其它軌道信息給出的衛星位置與衛星真實位置之間的差值。GPS衛星星歷：由布設在地面上、具有一定數量與空間分布的監測站連續跟蹤觀測GPS衛星，并結合環境要素等信息，再由主控站對衛星作精密定軌計算得到的。廣播星歷：由定軌結果外推得出，因此廣播星歷的精度是有限的。衛星鐘誤差：由于衛星位置是時間的函數，所以GPS的觀測量均以精密測時為前提。雖然GPS衛星均配有高精度的原子鐘，但它們與理想的GPS時之間仍會有偏差或漂移，難以避免。32(二)與信號傳播有關的誤差

大氣折射誤差：根據其性質，分為電離層折射影響、對流層折射影響。對流層折射影響包括來自平流層與中間層的折射，因此，也可合稱為中性大氣折射影響，簡稱對流層折射。

多路徑效應：接收機天線除直接收到來自GPS衛星的信號外，還可能收到天線周圍地物反射來的信號。這兩種信號疊加在一起將引起測量參考點（相位中心）的變化，而且這種變化隨天線周圍反射面的性質而異，難以控制。多路徑效應具有周期性誤差，其變化幅度可達數厘米。

消除或減弱多路徑效應方法：除了采用載波相位測量方法；采用造型適宜且屏蔽良好的天線。這種天線一般裝備有抑徑板或抑徑圈，可以阻擋來自水平面以下的多路徑信號被接收。有些多路徑信號來自豎立的高大建筑物表面，經過這種表面反射的多路徑信號，往往也具有較大的高度角值，可以從水平面以上進入接收機天線。因此，在進行GPS測量選址工作時，還應當考慮多路徑信號產生的可能性，盡量避開這種高大建筑物。33(三)與接收設備有關的誤差

觀測誤差：觀測分辨誤差、接收機天線相對測站點的安置誤差。一般認為觀測分辨誤差約為信號波長的1%。由于載波的波長遠小于GPS偽隨機測距碼的波長，則采用載波相位觀測量可達到更高精度。天線的安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線高的誤差。只要在觀測中認真操作，可以盡量減少這些誤差的影響。

接收機的鐘差：一般是在數據處理中作為未知數解出。另外在作差分法相對定位時，也可以通過在不同衛星之間求差來消除其影響。

天線的相位中心誤差：GPS測量的觀測值都是以天線的相位中心為準，而我們一般只能觀察到天線的幾何中心，因此，要求天線的幾何中心與相位中心一致，這應在天線的生產和設計上達到。另外，若采用同種型號的接收機天線，可以近似認為相位中心與幾何中心的偏離情況是一樣的，因此，用觀測值的求差和相對定位能削弱這種影響，但這時要求統一按天線的方向標定向，使各天線的指北極都指向正北方向。

載波相位測量的整周不定性誤差：主要是指觀測中整周未知數的跳變現象（周跳）。另外，也有在數據處理時求解整周未知數時的失敗，不能將整周未知數固定為某一整數，而只能取實數解情況。周跳的發生與多種因素有關的，如信號受阻擋失鎖、接收機內部熱噪聲影響、電離層活動出現異常變化等。345GPS測量的作業模式GPS測量的作業模式：利用GPS定位技術，確定觀測站之間相對位置所采用的作業方式。不同的作業模式，因作業方法和觀測時間的不同，而具有不同的應用范圍。由于GPS測量數據處理軟件系統的發展，為確定兩點之間的相對位置，已有多種作業模式可供選擇。355GPS測量的作業模式目前，較為普遍采用的相對定位作業模式主要有：靜態相對定位快速靜態相對定位準動態相對定位動態相對定位。365.1靜態相對定位模式作業方法：最基本最早采用兩套（或兩套以上）接收設備，分別安置在一條（或數條）基線的端點，根據基線長度和要求的精度，同步觀測4顆以上衛星數時段，每一時段長1～3小時，解算出三維坐標差。定位精度：基線測量的精度可達5mm+1ppm×D，D為基線長度，以公里計。特點：所觀測的獨立基線邊，應構成某種閉合圖形（如圖），以利于觀測成果的檢核，增強網的強度，提高成果的可靠性和精確性，基線長度可由幾米至幾百公里。適應范圍：精度要求較高的測量工作建立地殼運動或工程變形監測網；建立全球性或國家級大地控制網；建立精密工程測量控制網。靜態相對定位模式示意圖375.2快速靜態相對定位模式作業方法在測區的中部選擇一個基準站(或參考站)，并安置一臺接收機，連續跟蹤所有可見衛星；另一臺接收機，依次到各點流動設站，靜止觀測數5-40min。至少跟蹤4顆衛星，同時流動站與基準站相距不超過15km。定位精度流動站相對基準站的基線中誤差，可達（5～10）mm+1ppm×D特點接收機在流動站之間移動時，不必保持對所測衛星的連續跟蹤，因而可關閉電源以降低能耗。該模式作業速度快，精度高。缺點是，在采用